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《超导单光子探测器为高速量子通信带来新突破》

  • 来源专题：量子信息科技
  • 编译者： 于杰平
  • 发布时间：2023-04-25

  • 2023年3月9日和13日，由瑞士和中国分别完成的高速量子通信成果先后在线发表在《自然·光子学》（Nature Photonics）杂志上[1, 2]。两项工作的共同特点是都利用了高速的多像素超导条带光子探测器（学术界通常称其为超导纳米线单光子探测器，SNSPD）。而在此前的1月26日，美国喷气推进实验室（JPL）报道了高精度高计数率的多像素新型超导纳米线单光子探测器，发表在《光学》（Optica）杂志上[3]。这些进展表明，超导单光子探测器正在为高速量子通信带来新的突破。

    瑞士日内瓦大学Hugo Zbinden团队与ID Quantique公司合作，将14根超导纳米线并行，形成光敏面约15微米的SNSPD，该探测器速度比单线条SNSPD计数率快了20倍。利用该高速SNSPD，团队在10公里的光纤上实现了64Mbps（bits per second，每秒比特率）的实时量子密钥成码率。中国科学技术大学潘建伟、徐飞虎等与上海微系统所尤立星等合作，利用8根并行纳米线形成的光敏面约15微米的SNSPD，实现了每秒输入5.5亿个光子的情况下仍能保持62%的探测效率。在此基础上，研究团队在10公里的光纤上实现了115.8 Mbps的实时量子密钥成码率。近期的实验进展相比此前国际上报道的同等距离下最高实时成码率（10 Mbps）有了大幅提升，对未来量子通信的规模化实际应用具有重要意义。


    相关论文：

    [1]. https://www.nature.com/articles/s41566-023-01168-2

    [2]. https://www.nature.com/articles/s41566-023-01166-4

    [3]. https://opg.optica.org/optica/fulltext.cfm?uri=optica-10-2-183&id=525546


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  • 《英国布里斯托尔大学研究人员在硅片上开发了世界上最小的量子光探测器》
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    • 近日，英国布里斯托尔大学的研究人员通过将世界上最小的量子光探测器集成到硅片上，在量子技术的缩放方面取得了重要突破。 20世纪60年代，科学家和工程师首次能够将晶体管小型化到廉价的微芯片上，这是开启信息时代的关键时刻。 现在，布里斯托尔大学的学者首次证明了将比头发还小的量子光探测器集成到硅片上，使人们离使用光的量子技术时代又近了一步。 大规模生产高性能电子和光子学是实现下一代先进信息技术的基础。研究如何在现有的商业设施中制造量子技术是世界各地的大学研究和公司正在进行的一项国际努力。 事实证明，量子计算能够大规模制造高性能量子硬件至关重要，因为即使是一台机器也需要大量的组件。 为了实现这一目标，布里斯托尔大学的研究人员展示了一种量子光探测器，它是在一个电路尺寸为80微米乘220微米的芯片上实现的。 至关重要的是，体积小意味着量子光探测器可以很快，这是解锁高速量子通信和实现光量子计算机高速运行的关键。 使用已建立的和商业上可获得的制造技术有助于尽早融入传感和通信等其他技术。 领导这项研究的量子工程技术实验室主任Jonathan Matthews教授解释道：“这些类型的探测器被称为零差探测器，它们在量子光学的应用中随处可见。”。“它们在室温下工作，你可以在极其敏感的传感器中使用它们进行量子通信，比如最先进的引力波探测器，而且有量子计算机的设计会使用这些探测器。” 2021年，布里斯托尔团队展示了将光子学芯片与单独的电子芯片连接可以提高量子光探测器的速度——现在有了单个电子光子集成芯片，该团队将速度进一步提高了10倍，同时将占地面积减少了50倍。 虽然这些探测器速度快、体积小，但它们也很灵敏。 作者Giacomo Ferranti博士解释道：“测量量子光的关键是对量子噪声的敏感性。”。“量子力学是所有光学系统中微小的基本噪声的来源。这种噪声的行为揭示了系统中传输的量子光的种类，它可以确定光学传感器的灵敏度，并可用于数学重建量子态。在我们的研究中，重要的是要证明，使探测器更小、更快并不会阻碍其测量量子态的灵敏度。” 作者指出，在将其他颠覆性量子技术硬件集成到芯片规模方面，还有更令人兴奋的研究要做。有了这种新的探测器，效率需要提高，在许多不同的应用中试用这种探测器还有很多工作要做。 Matthews教授补充道：“我们用一个商业上可获得的代工厂建造了探测器，以使其应用更容易获得。虽然我们对一系列量子技术的影响感到非常兴奋，但至关重要的是，我们作为一个社区，要继续应对量子技术可扩展制造的挑战。如果不能证明量子硬件的真正可扩展制造，量子技术的影响力和好处将受到延迟和限制。” 论文信息：“A Bi-CMOS electronic photonic integrated circuit quantum light detector” by Joel F Tasker, Jonathan Frazer, Giacomo Ferranti, and Jonathan C. F. Matthews in Science Advances（https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adk6890）。
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